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Der Streuversuch
Der Streuversuch wurde in Manchester von den Physikern Rutherford, Geiger und
Marsden durchgeführt. Sie begannen 1906 mit dem Versuch und benötigten sieben
Jahre um das Geheimnis des Aufbaus der Atome vorerst zu lösen.
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Streuversuch
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• Vorüberlegungen
• Versuchsaufbau
• animierte Versuchsaufbau
• Durchführung
• Beobachtung
• Schlussfolgerung
© Th. Böse
JSG Bad Kissingen
Rutherford, Ernest
Rutherford wurde am 30.8.1871 in Neuseeland
geboren. Sein Studium schloss er in Cambridge
(England) ab. Von da ging er an die Universität
Montreal in Kanada. 1907 kehrte er nach England
zurück und erhielt 1908 für sein Kern-HülleModell den Nobelpreis.
Das Radium für seine Forschungsarbeit bekam er
von der Wiener Akademie der Wissenschaften.
Nach dem 1. Weltkrieg wollte die englische
Regierung das Radium als Eigentum des Feindes
beschlagnahmen. Rutherford ließ es sich gut
bezahlen und unterstützte mit diesem Geld die
Wiener Akademie.
In sein Familienwappen ließ er die Zerfalls- und
Wachstumskurve
radioaktiver
Substanzen
einarbeiten.
Rutherford starb am 19.10.1937.
Zum Streuversuch von Rutherford
Streuversuch - Vorüberlegungen
Rutherford ging mit seinen Überlegungen vom Rosinenkuchen-Modell aus. Danach
sei das Atom eine Kugel, in der sich positive Ladungen diffus aufhalten, wobei dann
die Elektronen wie Rosinen in einem Kuchen eingelagert sind. Dieses Atom wäre
außerdem undurchlässig für Teilchen aller Art, egal welche Bewegungsenergie sie
auch besitzen würden.
Nachdem Philipp Lenard eine Aluminiumfolie mit Elektronen beschoss, kam er zu dem
Ergebnis, dass das Atom für Elektronen durchlässig ist. Außerdem erkannte er, dass
bei steigender Bewegungsenergie der negativen Ladungsträger mehr Elektronen die
Folie durchdringen.
Rutherford wiederholte dieses Experiment auf ähnliche Weise; er beschoss eine
Goldfolie mit Alpha-Strahlung, und stellte die Vermutung auf, dass diese Heliumkerne
durch die gleichmäßig verteilten positiven Ladungen nur wenig in ihrer Flugrichtung
beeinflusst und nur in einem Winkel von null bis maximal einem Grad abgelenkt
werden.
Zum Versuchsaufbau
Streuversuch - Aufbau
Zinksulfidschirm
Goldfolie
Mit jeden Klick auf die n-Taste
kannst du dir den Aufbau des
Streuversuchs von Rutherford
animieren lassen!
Bleiblock
Du kannst dir aber auch
den kompletten Versuch hier
ansehen!
Lochblende
radioaktives Radium
Zur Versuchsdurchführung
© Th. Böse
JSG Bad Kissingen
Streuversuch - Aufbau
Goldfolie
Zinksulfidschirm
abgelenktes
-Teilchen
-Teilchen
Bleiblock
Lochblende
radioaktives Radium
Zur Versuchsdurchführung
Streuversuch - Durchführung
Von einem Präparat geht Alpha-Strahlung, so genannte Alpha-Teilchen aus. Der
Bleiblock blendet ein schmales Teilchenbündel aus. Die Alpha-Teilchen treffen auf
eine extrem dünne Goldfolie (etwa 100 Atomschichten stark). Hinter der Folie befindet
sich ein Leuchtschirm als Nachweisgerät, der um die Folie herum bewegt werden
kann.
Trifft ein Alpha-Teilchen auf diesen Schirm, erzeugt es einen kleinen Lichtblitz, der
durch ein Mikroskop beobachtet und gezählt wird. Der Versuch findet im Vakuum ab.
Zur Versuchs-Animation
Streuversuch - Animation
Goldfolie
Zinksulfidschirm
Bleiblock
mit Radium
Animation-Start
© Th. Böse
JSG Bad Kissingen
Streuversuch - Animation
Goldfolie
abgelenktes
-Teilchen
Bleiblock
mit Radium
-Teilchen
Zinksulfidschirm
Animation-Start
© Th. Böse
Zur Beobachtung
JSG Bad Kissingen
Streuversuch - Beobachtung
Fast alle Alpha-Teilchen durchdringen ungestreut die Folie. Kleine Ablenkwinkel
kommen häufiger, große außerordentlich selten vor.
Messungen ergaben, dass bei einem Beschuss der Goldfolie mit 132.500
Heliumkernen 132.000 einen Streuwinkel von weniger als 15°, 477 zwischen 15° und
60° und lediglich 33 Alpha-Teilchen zwischen 60° und 150° hatten.
Verwendet man Folien unterschiedlichen Materials, so zeigt der Versuch der
Messreihen, dass die Wahrscheinlichkeit für die Ablenkung eines Alpha-Teilchens um
einen bestimmten Winkel proportional zum Quadrat der Ordnungszahl der Atome des
Streumaterials ist.
Zur Schlussfolgerung
Streuversuch - Folgerung
Da Rutherford in seinem Streuversuch auch Ablenkungen um 180° beobachtete,
schlussfolgerte er, dass die Alpha-Teilchen mit Teilchen zusammengestoßen sein
müssen, deren Massen größer als die des Alpha-Teilchens sind. Bei kleinerer Masse
würde das Alpha-Teilchen keine Richtungsumkehr erfahren, bei gleicher würde es
zum Stillstand kommen. Deswegen, so erkannte Rutherford, scheiden Elektronen als
Streuzentren aus.
Für die Ablenkung der Alpha-Teilchen machte Rutherford die Coulombkraft des Kerns
verantwortlich; und da diese umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung r ist,
wird ein Großteil der Alpha-Strahlung nur gering abgelenkt und abgebremst.
Rutherford schlussfolgerte daher, dass der Raum zwischen dem Kern und der
Atomhülle leer sein muss. Des Weiteren überlegte er sich, dass bei einem Auftreffen
eines Alpha-Teilchens auf den positiv geladenen Kern (Streuzentrum), die kinetische
Energie, in dem Moment, in dem das Alpha-Teilchen die größtmögliche Annäherung
an das Streuzentrum erlangt hat, vollständig in potentielle Energie umgewandelt wird.
Demnach kann man für diesen Moment die Energien gleichsetzen. Daraus kann man
dann die maximale Größe eines Atomkerns bestimmen.
Zur Rutherfordschen Atomhypothese
Rutherfordsche Atommodell
Aus dem Rutherfordschen Streuversuch leitet sich das Rutherfordsche Atommodell ab:
1.
Atome haben einen Durchmesser von ca. 10 -10 m.
2.
Nahezu 99,9% der gesamten Masse ist jedoch im Atomkern konzentriert.
3.
Die gesamte positive Ladung befindet sich in Form von Protonen im Kern.
4.
Die negativen Ladungen befinden sich in Form von Elektronen im Raum um den
Atomkern.
5.
Dieser Raum wird als Atomhülle bezeichnet.
6.
Die Elektronen umkreisen den Kern auf beliebigen Bahnen.
7.
Diese Bahnen bestimmen die Größe des Atoms.
8.
Zwischen den Elektronen ist leerer Raum.
9. Die Kraft zwischen den Elektronen und dem Kern ist die elektrostatische Anziehungskraft.
Man bezeichnet das Rutherforsche Atommodell auch als Kern-Hülle-Modell
Das Kern-Hülle-Modell
Das Kern-Hülle-Modell von Rutherford beinhaltet, dass die Atome aus noch
kleineren Teilchen aufgebaut sind.
Nach diesem Modell sind Atome aus einem Kern und einer Hülle aufgebaut.
Der Atomkern (Nuklid) enthält eine bestimmte Anzahl positiver Ladungen, die man
Protonen
nennt. Die Gesamtheit aller Protonen im Kern ergibt die Kernladungszahl (Z), die der Ordnungszahl entspricht. Neben Protonen enthält der Kern
elektrisch neutrale Neutronen
. Protonen und Neutronen werden als Nukleonen
bezeichnet. Die Anzahl der Nukleonen ergeben die Massenzahl (A) des Atoms.
Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen Elektronen . Die Anzahl der
Elektronen in der Hülle entspricht der Anzahl der Protonen im Kern. Dadurch ist das
Atom nach außen elektrisch neutral.
Radioaktive Strahlungsarten
Instabile Kerne welche zerfallen tun dies nicht willkürlich sondern sie befolgen bestimmte
Gesetzmäßigkeiten: Es sind die drei klassischen Arten der radioaktiven Strahlung:
alpha-Strahlung: Aussendung eines 42 He-Kerns (alpha-Teilchen) aus dem instabilen Kern.
Es wird ein ganzes Paket 2 Protonen und 2 Neutronen gleichzeitig aus dem Kern gesandt.
Bsp: 21084 Po  20682 Pb + 42He
beta-Strahlung: Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron. Das Elektron
entsteht direkt im Kern und wird sogleich emittiert (ausgesandt). Es entsteht zusätzlich ein
Neutrino.
Bsp: 146 C  147 N + e-
gamma-Strahlung:
Aussendung
hochenergetischer
Strahlung
(gamma-Quanten
Röntgenstrahlung) aus dem instabilen Kern. Die gamma-Strahlung ist meist
Begleitstrahlung und verändert weder die Massenzahl noch die Ordnungszahl.